費曼物理學講義

引用

Feynman, R. P., Leighton, R. B., & Sands, M. (1989). The Feynman Lectures on Physics. Addison-Wesley. 免費線上版：https://www.feynmanlectures.caltech.edu/

章節概要

全書共三卷：第一卷（52章）講力學、輻射與熱，第二卷（42章）主要講電磁學與物質，第三卷（21章）是量子力學。它源自費曼1961至1963年在加州理工學院（Caltech）為一、二年級大學部學生講授的入門課程，盒裝三卷本約1,550頁。下面的分組依據目錄，章名按目錄中的寫法給出。

第一卷 第1–7章：原子的運動／基礎物理／物理學與其他科學的關係／能量守恆／時間與距離／機率／引力理論

開頭幾章先對物理學做總體概覽，而不是立即展開系統論述：物質的原子圖景、物理學在各門科學中的位置、能量守恆、時間與距離的度量、機率和引力。其中第1–4章和第7章屬於後來單獨再版的《Six Easy Pieces》所收的六章；該書面向一般讀者，主要以定性方式介紹關鍵主題。

第一卷 第8–25章：運動／牛頓動力學定律／動量守恆／向量／力的特性／功與勢能／狹義相對論／相對論效能量與動量／時空／二維轉動／質心與轉動慣量／三維轉動／簡諧振子／代數／共振／瞬態／線性系統與複習

力學部分從運動和牛頓定律出發，經過動量、向量、力和功（勢能佔兩章），然後用三章講狹義相對論，再回到轉動與振動。第22章“代數”是夾在振動各章之間的一次數學插曲，第25章以線性系統的複習結束這一部分。

第一卷 第26–36章：光學與輻射

第26–36章從“光學：最短時間原理”和“幾何光學”開始，經過電磁輻射、干涉、衍射、折射率的起源、輻射阻尼與光的散射、偏振以及輻射中的相對論效應，最後以“色覺”和“視覺機制”結束。

第一卷 第37–46章：量子行為；氣體動理論與熱力學

量子行為以及波動觀點與粒子觀點的關係早在第37–38章就已出現。其餘各章轉向氣體動理論、統計力學原理、布朗運動、擴散、熱力學定律及其例證，以及“棘輪與棘爪”。

第一卷 第47–52章：聲與波；對稱性

聲與波動方程、拍、模式、諧波和波動結束這一卷，最後是第52章“物理定律中的對稱性”。第52章與“向量”、三章相對論，以及第二卷的“彎曲空間”一起，被收入《Six Not-So-Easy Pieces》。

第二卷 第1–12章：電磁學、向量微積分、靜電學與電介質

第二卷以概覽性的“電磁學”開篇，隨後兩章講場的數學：“向量場的微分”和“向量積分”。接著是靜電學（高斯定律、各種情形下的電場、靜電能、大氣中的電），然後是電介質和靜電類比。

第二卷 第13–24章：靜磁學、感應、馬克士威方程、電路與波

靜磁學、矢勢、感應電流和感應定律，引向第18章“馬克士威方程”。隨後各章講最小作用量原理、真空中以及有電流和電荷時的馬克士威方程的解、交流電路、空腔諧振器和波導。

第二卷 第25–31章：相對論性電動力學與場中的帶電粒子

這幾章講相對論記號下的電動力學、場的勞侖茲變換、場能量與場動量、電磁質量，以及帶電粒子在電場和磁場中的運動，之後是晶體的內部幾何和張量。

第二卷 第32–42章：物質、彈性、流體與彎曲空間

這一卷依次講稠密物質的折射率、表面反射、物質的磁性（順磁性、磁共振、鐵磁性、磁性材料）、彈性與彈性材料、“幹水的流動”和“溼水的流動”，最後以“彎曲空間”結束。

第三卷 第1–8章：從量子行為到哈密頓矩陣

第三卷以“量子行為”和“波動觀點與粒子觀點的關係”開始，這與第一卷第37–38章同名。隨後是機率幅、全同粒子、自旋1、自旋1/2、機率幅隨時間的變化和哈密頓矩陣。

第三卷 第9–21章：二能級系統、固體、原子與超導

第9–12章講氨分子微波激射器、其他及更多的二能級系統和氫的超精細分裂。接著是晶格中的傳播與半導體，然後是獨立粒子近似、機率幅對位置的依賴、對稱性與守恆律、角動量、“氫原子與元素週期表”和算符。最後一章是“經典語境中的薛丁格方程：關於超導的研討”。

核心概念

第一卷：力學、輻射、熱

• 能量守恆與動量守恆：各有專門一章（第4章和第10章），都排在力與功的論述之前。
• 狹義相對論與時空：不是附錄，而是連續三章（第15–17章）。
• 共振與線性系統：第23–25章從簡諧振子出發，發展到共振、瞬態和線性系統。
• 氣體動理論、統計力學與熱力學：第39–46章從氣體動理論和統計力學一直講到熱力學定律。

第二卷：電磁學與物質

• 場與向量微積分：第2–3章在靜電學開始之前先備好場的數學。
• 馬克士威方程：第18章的主題，隨後第20–21章討論其在真空中和有電流、電荷時的解。
• 場的能量與動量：第27章，與電動力學的相對論記號並列。

第三卷：量子力學

• 機率幅：緊接著兩章量子行為之後的第一個主題（第3章）。
• 哈密頓矩陣與二能級系統：第8–12章把哈密頓矩陣與氨分子微波激射器、氫的超精細分裂等二能級例子結合起來。
• 對稱性與守恆律、角動量：第17–18章。

評析

優點

• 獨特的範圍與順序。 目錄裡除了標準的力學和電磁學，還有許多入門書中少見的內容：最小作用量原理、相對論性電動力學、彈性、流體流動，以及一整卷以機率幅和二能級系統為基礎的量子力學。
• 為調動優秀學生的興趣而寫。 據已發表的介紹，費曼原序說這些講課是為了吸引剛從中學進入Caltech、非常熱情而聰明的學生。1989年版的特別序言中，大衛·古德斯坦（David Goodstein）和傑裡·諾伊格鮑爾（Gerry Neugebauer）補充說，講課的主要受益者是費曼的同行，並稱他是傑出的“教師的老師”。
• 容易上手的入口。 兩本小選集（《Six Easy Pieces》和《Six Not-So-Easy Pieces》）顯示了哪些章節適合想先嚐試定性內容或相對論內容、再決定是否通讀的讀者。
• 可免費獲取。 自2013年起，全文由Caltech和The Feynman Lectures Website免費線上提供；據引述，2013年《Nature》上的一篇書評稱讚其“簡潔、優美、統一……以熱情和洞見呈現”。

局限

• 不是標準課程的編排。 量子行為出現在第一卷（第37章），向量微積分要到第二卷（第2–3章）才出現，而一章名為“代數”的內容夾在振動各章之間，因此如果沒有指引，很難把它當作逐周的教學大綱。
• 習題另冊出版。 講義正文沒有通常意義上的習題集；習題集另行出版，《Feynman's Tips on Physics》（2005年）則增加了四講、馬修·桑茲的回憶文章以及附答案的習題。
• 文本的版本歷史很重要。 據已發表的說明，初版含有錯誤，其中一些使習題無法求解；勘誤陸續釋出，2005年的《Definitive Edition》和被宣傳為完全訂正的2011年《New Millennium Edition》都吸收了更正。這裡引用的1989年紀念版早於這些訂正。
• 讀者物件有爭議。 有說法認為，一些物理專業學生在通過傳統教材掌握內容之後，會覺得這些講課更有價值，也有人認為它們對教師比對學生更有用；馬修·桑茲對古德斯坦和諾伊格鮑爾關於聽課者的說法有部分異議。

在課程中的定位

在這門基礎物理課程中，費曼講義是配合閱讀的伴侶，而不是替代品。書單中的綜合性入門教材（哈利德的《Fundamentals of Physics》、蒂普勒與莫斯卡的《Physics for Scientists and Engineers》、楊的《University Physics》、瑟韋與朱伊特的《Principles of Physics》）以常規教材的篇幅覆蓋同樣的範圍，是講義所缺少的習題訓練的自然來源；而休伊特的《Conceptual Physics》和OpenStax的《College Physics 2e》以代數為基礎，對數學的要求較低。克萊普納與科倫科的《An Introduction to Mechanics》只講力學，是要求較高的微積分層次教材，與第一卷第8–20章搭配得很自然。

《200 Puzzling Physics Problems》是附有提示和完整解答的習題集，可用來練習講義力圖培養的物理洞察習慣。比較合理的做法是用一本標準教材完成作業，並在每個主題之前或之後讀對應的費曼章節。

如何使用本書

這些講課是給Caltech一、二年級大學部學生講的，所以實際的先修要求是中學物理和微積分；講義所需的向量微積分和代數會在正文中引入（第一卷第22章，第二卷第2–3章）。

實用的安排：

• 第一卷的初讀： 先讀第1–4章、第7章和第37章作概覽，然後一邊做標準教材的習題，一邊讀第8–25章（力學、相對論、振動）。
• 選讀主題： 課程進行到相應內容時，再讀第26–36章（光學）和第39–46章（氣體動理論、熱力學）。
• 電磁學： 按順序讀第二卷第1–24章；第25–42章可留到第二遍閱讀時作為選讀的拓展。
• 量子力學： 第三卷是一部自成體系的入門，可在讀完第一卷第37–38章之後閱讀。
• 練習： 每章配合其他來源或《Feynman's Tips on Physics》中的習題，使用較早的印次時，請對照已釋出的勘誤。